2219铝合金搅拌摩擦焊缝Al2Cu相聚集行为特征分析

李 超 赵英杰 孙转平 纪文学 李晓光

（1 天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

（2 首都航天机械有限公司，北京 100076）

0 引言

一种新的焊接技术，从发明到原理验证，从技术实现到在航天工业中的应用，往往要经过几十年的时间，而搅拌摩擦焊技术（FSW）却是个特例。从1991年由英国焊接技术研究所（TWI）发明搅拌摩擦焊接技术到1999年美国在Delta 运载火箭中间舱段焊接生产中的首次应用，仅经过了8年时间，可见搅拌摩擦焊接技术在航天产品工程应用中备受青睐，目前已在在航空航天、轨道交通、汽车及船舶制造等领域得到了广泛的应用［1-2］。作为一项独具创新性的连接技术，搅拌摩擦焊在焊接科学技术应用发展史上具有里程碑的意义［3］。

搅拌摩擦焊技术是一种基于微区锻造的绿色固态焊接工艺［2］，目前主要应用于铝合金、镁合金等轻金属合金产品的焊接生产［4］。相对于传统熔焊焊接工艺，搅拌摩擦焊技术具有接头力学性能优良、产品变形小、生产过程绿色无污染等诸多优点，同时，由于搅拌摩擦焊属于固相连接工艺，其焊缝组织特征、缺陷形态及影响因素等也与传统熔化焊接工艺有着本质的不同。搅拌摩擦焊技术在运载火箭燃料贮箱的焊接生产中最先得到广泛的应用。燃料贮箱是运载火箭中最重要的组成部分之一，目前，中国新一代运载火箭燃料贮箱的主要材料为2219 铝铜系铝合金。本文针对2219 铝铜合金，进行了一系列搅拌摩擦焊接试验，研究了2219 铝铜合金搅拌摩擦焊缝的微观组织特性，并重点对焊缝中出现的亮白色聚集物异常聚集现象进行分析。

1 试验材料与方法

采用10 mm 厚度的2219 铝合金，材料状态为C10S，采用平板对接焊方式，试验板材规格为600 mm×150 mm，2219 铝合金主要化学成分及力学性能如表1和表2所示。

表1 2219铝合金主要化学成分Tab.1 Main chemical composition of 2219 aluminum alloy%（质量分数）

表2 2219铝合金基材力学性能Tab.2 Mechanical properties of 2219 aluminum alloy

搅拌头采用高温合金加工制造，焊接试验前，对搅拌针长度进行修磨，使搅拌针长度小于试片最小板厚0.15～0.25 mm，搅拌头形貌如图1所示。

图1 搅拌头形貌Fig.1 Morphology of mixing head

焊接前，使用汽油对焊接工装及待焊板材焊接区进行擦拭除油，并对待焊板材正、反面待焊区域及对接端面区域进行打磨和刮削清理，对搅拌头使用酒精清洗。试验焊接参数如表3所示。

表3 2219铝合金焊接试验参数Tab.3 2219 aluminum alloy welding test parameters

为得到充足的聚集相样本，进行了多组焊接试验，焊接完成后，剔除正面焊缝的飞边，并对焊缝进行打磨圆滑处理，之后对焊缝背面进行打磨处理，打磨深度0.15～0.25 mm，去除未连接及弱结合缺陷。打磨处理完成后，对焊缝进行超声相控阵检测和X光检测，对无聚集相焊缝及存在聚集相的位置处焊缝分别选取3 个拉伸子样，在MTS-810 电子拉伸试验机上进行拉伸试验。根据无损检测结果，对不同形貌的焊缝聚集相进行剖切截取金相试样，用混合酸（1mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO3+95mL H2O）溶液对抛光后的试样进行腐蚀，在OLYM-PUS 光学显微镜下进行典型区域金相组织分析，并对聚集相进行能谱分析。

2 焊缝力学性能及无损检测分析

2.1 焊缝的力学性能

无聚集相搅拌摩擦焊缝和聚集相位置处的搅拌摩擦焊缝力学性能如表4 所示。无聚集相位置处焊缝平均抗拉强度为333.7 MPa，平均断后伸长率为6.7%，聚集相存在位置处焊缝平均抗拉强度为329 MPa，平均断后伸长率为6.3%。无聚集相处和有聚集相处焊缝的力学性能差别不大，抗拉强度均达到母材强度的70%以上，断后伸长率均达到6.0%以上，焊缝具有良好的塑性。

表4 有无聚集相位置焊缝力学性能Tab.4 Mechanical properties of welded joints without aggregate phase

2.2 焊缝的无损检测分析

通过对焊缝聚集相样本进行无损检测分析后得出，聚集相的形态主要分为团块状、线状和指状三种，图2为聚集相的X光透视图像。

图2 聚集相X光透视形貌Fig.2 X-ray view of the aggregate phase

可看出显示为亮白色聚集物，部分聚集相边界明显。受搅拌针机械搅拌作用的影响，大部分线状和指状聚集相的分布存在一定方向性，呈现环形分布的趋势。

图3 为团块状及线状聚集相超声相控阵检测信号，聚集相与铝基体因存在明显界面，在检测中会出现超声波的反射信号。因聚集相密度与铝基体密度相差不大，相控阵检测的信号强度要小于异质金属夹杂及空腔缺陷的信号强度。团块状聚集相在相控阵检测中可观察到较为明显的信号反映，信号图像一般呈现圆形的团状，较大的线状聚集相在相控阵检测中也可观察到信号反应，信号图像多为点状，且信号强度比较微弱，较小的线状聚集相及指状聚集相则无法在相控阵检测中观察到信号反映。

图3 聚集相超声相控阵信号Fig3 Aggregated phase ultrasonic phased array

3 焊缝的显微组织分析

3.1 母材的显微组织及能谱分析

2219C10S状态铝合金母材为10%变形量的轧制板材，图4为母材晶粒的显微组织形貌，晶粒沿轧制方向呈板条状分布，铝基体上弥散分布着大量聚集相。

图4 母材显微组织形貌Fig.4 Microstructure of base material

图5 为2219C10S 状态铝合金母材的SEM 图像，图中亮白色聚集物为聚集相，并沿晶粒轧制方向分布，其余部分为铝基体。对聚集相位置进行了能谱分析，聚集相位置处Al和Cu的原子百分比接近2.5∶1，O 原子占比约为10%，另外还存在少量的Fe 原子，如表5 所示。聚集相位置的主要成分为Al2O3和Al2Cu，Al2O3主要来自于母材表面的氧化膜，因此聚集相的主要成分为Al2Cu。

图5 母材SEM图像Fig.5 SEM image of base material

表5 聚集相各元素原子分数Tab.5 Aggregate phase elements and content percentage%（原子分数）

图6 母材聚集相位置能谱分析Fig.6 Energy spectrum analysis of aggregate phase of base material

3.2 焊缝聚集相的微观形貌及能谱分析

对焊缝聚集相进行金相观察及能谱分析，发现可以明显观察到团块状、线状和指状聚集相的截面形态，与周围的铝基体存在明显的界面，聚集相仅存在于搅拌摩擦焊缝焊核区，在搅拌针搅拌作用下部分呈破碎状。对聚集相的成因分析认为，聚集相的产生及不同的形态特点主要受搅拌摩擦焊接热输入及搅拌头机械搅拌作用的影响。在焊接过程中，塑态软化的金属在搅拌头旋转搅拌的作用下向搅拌针后方的空腔进行流动填充，在金属保持塑态软化的状态下Al2Cu 相出现了聚集行为，随着塑态金属的凝固，聚集行为开始变得缓慢并结束。在焊缝截面方向上由于从搅拌头轴肩到搅拌针端头热输入呈逐渐减小的趋势，因此聚集相的尺寸从搅拌头轴肩到搅拌针端头也呈逐渐减小的趋势。对聚集相尺寸的测量如表6所示。

团块状聚集相尺寸大于线状和指状聚集相，主体聚集相形状较为规则，且与周围Al基体界面清晰，在搅拌头的机械搅拌作用下，部分呈破碎状，分散在一块团状区域内，如图7所示。在焊接过程中，搅拌头轴肩的热输入大于搅拌针的热输入，且搅拌针为锥形结构，从端头到轴肩搅拌针直径逐渐增大，机械搅拌作用更强，搅拌后的空腔更大，塑态金属的流动作用也更为剧烈。因此，尺寸较大的团块状聚集相主要存在于焊核中心或焊核偏焊缝上表面（轴肩影响区）位置处。能谱分析表明聚集相主要组成元素为Al和Cu，原子百分比近似为2∶1，可以确定聚集相的主要成分为Al2Cu。

表6 典型聚集相尺寸Tab.6 Typical aggregate phase size

图7 团块状聚集相Fig.7 Agglomerated aggregate phase

线状聚集相主要呈细长的条状，长度一般不超过1 mm，在超声相控阵检测中特征信号微弱或无信号显示，在X光射线检测中呈亮白色线形特征，如图8所示。聚集相与周围Al基体界面清晰，受搅拌针机械搅拌作用和搅拌针热输入的影响，尺寸较小的线状聚集相主要存在于焊核中心或焊核偏焊缝根部位置处。能谱分析表明聚集相主要组成元素为Al和Cu，原子百分比近似为2∶1，确定为Al2Cu相聚集形成。

图8 线状聚集相Fig.8 Linear aggregation phase

指状聚集相主要呈短棒状，长度一般不超过0.5 mm，一般情况下指状聚集相周围会弥散分布若干破碎的点状聚集相，如图9所示。

图9 指状聚集相Fig.9 Finger aggregate phase

在超声相控阵检测中无特征信号显示，在X光射线检测中呈亮白色短棒状特征。指状聚集相受搅拌针端头部分机械搅拌作用和搅拌针热输入的影响较大，主要存在于焊核中心偏焊缝根部位置处。能谱分析表明聚集相主要组成元素及原子百分比与团块状和线状聚集相相同，确定为Al2Cu聚集相。

4 结论

（1）聚集相是母材基体中的Al2Cu 相在焊接热循环和搅拌头机械搅拌的综合作用下产生的聚合行为；

（2）对2219C10S 状态铝合金搅拌摩擦焊缝无聚集相位置和有聚集相位置进行力学性能分析，结果表明无聚集相处和有聚集相处焊缝的力学性能差别不大，抗拉强度均达到母材强度的70%以上，断后伸长率均达到6.0%以上；

（3）聚集相的形态主要分为团块状、线状和指状三种，在X 光射线透视照片中显示为亮白色聚集物，在超声相控阵检测中，团块状聚集相可观察到信号反映，而线状和指状聚集相特征信号微弱或无信号显示；

（4）团块状聚集相尺寸大于线状和指状聚集相，部分聚集相尺寸可超过1 mm，受搅拌头结构及机械搅拌作用影响，团块状聚集相主要分布在焊核中心或偏焊缝上表面位置处，线状和指状聚集相主要分布在焊核中心或偏焊缝根部位置处；

（5）对聚集相进行能谱分析表明，聚集相主要组成元素为Al和Cu，原子百分比近似为2∶1，与2219铝合金母材中的聚集相成分相同，可以确定为Al2Cu 聚集相。